任務(wù)1

了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)1.1任務(wù)描述

網(wǎng)絡(luò)機(jī)房是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集中管理和維護(hù)場(chǎng)所，存放著路由器、交換機(jī)、防火墻等重要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。通過組織參觀網(wǎng)絡(luò)機(jī)房，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，認(rèn)知各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并了解其在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的信息存儲(chǔ)和管理、網(wǎng)絡(luò)連接和通信、系統(tǒng)運(yùn)行和監(jiān)控等功能。1.2任務(wù)目標(biāo)了解通信的基本概念；了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本特征；掌握OSI參考模型和TCP/IP參考模型各層的功能。知識(shí)目標(biāo)培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)、守規(guī)、求真、務(wù)實(shí)的態(tài)度和作風(fēng)，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感。素質(zhì)目標(biāo)能夠識(shí)別和區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；能夠描述OSI參考模型和TCP/IP參考模型的層次結(jié)構(gòu)。能力目標(biāo)通過上網(wǎng)搜索計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)，了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新發(fā)展的方向。創(chuàng)新目標(biāo)010203041.3知識(shí)準(zhǔn)備

通信即人與人或人與自然之間通過某種行為或媒介進(jìn)行的消息或信息的交流與傳遞。通信的核心要素包括信息、數(shù)據(jù)與信號(hào)。

通信系統(tǒng)主要由信源、發(fā)送設(shè)備、信道、噪聲源、接收設(shè)備和信宿組成，如下圖所示。1.3.1通信與網(wǎng)絡(luò)：通信概述1.3.1通信與網(wǎng)絡(luò)：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展按發(fā)展時(shí)間劃分20世紀(jì)50-60年代是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)；70年代TCP/IP協(xié)議奠定互聯(lián)網(wǎng)通信基礎(chǔ)；80年代互聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展到商業(yè)和公共領(lǐng)域；21世紀(jì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)。如今以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等為代表的新興技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展影響深遠(yuǎn)。0102按連接方式劃分分為簡(jiǎn)單連接（20世紀(jì)60-70年代）；基于網(wǎng)絡(luò)的連接（20世紀(jì)70-80年代）；網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)（20世紀(jì)80年代至今）三個(gè)時(shí)期。1.3.1通信與網(wǎng)絡(luò)：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類局域網(wǎng)局部地區(qū)的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，分布范圍有限，性能穩(wěn)定，框架簡(jiǎn)易，使用以太網(wǎng)技術(shù)，如企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。1.3.1通信與網(wǎng)絡(luò)：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類02覆蓋范圍在幾十千米到幾百千米，連接多個(gè)局域網(wǎng)，采用光纖等高速介質(zhì)，提供高速數(shù)據(jù)傳輸，如城市的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。城域網(wǎng)1.3.1通信與網(wǎng)絡(luò)：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類廣域網(wǎng)03連接地理范圍極廣（如國(guó)家、洲際）的不同局域網(wǎng)、城域網(wǎng)或主機(jī)系統(tǒng)?；ヂ?lián)網(wǎng)（Internet）是最大的、基于TCP/IP協(xié)議的、全球互聯(lián)的公共廣域網(wǎng)。1.3.1通信與網(wǎng)絡(luò)：常見計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星形網(wǎng)絡(luò)以一臺(tái)設(shè)備為中央節(jié)點(diǎn)，控制簡(jiǎn)單、故障診斷容易，但中心節(jié)點(diǎn)故障會(huì)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，如學(xué)校機(jī)房網(wǎng)絡(luò)。總線型網(wǎng)絡(luò)所有設(shè)備連接到中央總線，費(fèi)用低、入網(wǎng)靈活，但一次僅一個(gè)端用戶可發(fā)送數(shù)據(jù)，如早期的小型辦公網(wǎng)絡(luò)。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過環(huán)連接，信號(hào)在環(huán)中單向傳輸，可被所有設(shè)備接收，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、投資小，但維護(hù)困難、拓展性差，如早期的令牌環(huán)網(wǎng)。1.3.1通信與網(wǎng)絡(luò)：常見計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹形網(wǎng)絡(luò)是星形網(wǎng)絡(luò)變體，易于擴(kuò)展、故障隔離容易，但高層節(jié)點(diǎn)（特別是根節(jié)點(diǎn)）故障會(huì)影響其下層網(wǎng)絡(luò)，如大型企業(yè)的分層網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)直接相連，可靠性高、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，但成本高、可擴(kuò)展性有限，如大型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。1.3.2網(wǎng)絡(luò)參考模型01封裝是指在數(shù)據(jù)從上層傳遞到下層時(shí)，該層協(xié)議將包含本層控制信息的協(xié)議頭部（有時(shí)也包括尾部）添加到從上層接收的數(shù)據(jù)前面的過程02解封裝是指數(shù)據(jù)從下層傳遞到上層時(shí)，接收方協(xié)議去掉本層的協(xié)議頭部（和尾部），提取出有效載荷并傳遞給上層協(xié)議的過程。03封裝和解封裝是理解網(wǎng)絡(luò)參考模型中數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)，它們使得數(shù)據(jù)能夠在不同層次的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中正確傳輸和處理。封裝的定義解封裝的定義封裝和解封裝的作用

網(wǎng)絡(luò)參考模型是具有標(biāo)準(zhǔn)化定義的理論框架，用來描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，用于理解網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)議協(xié)同的基本原理與概念。在深入探討網(wǎng)絡(luò)參考模型前，需要先理解其核心機(jī)制：封裝和解封裝。1.3.2網(wǎng)絡(luò)參考模型：OSI參考模型層次結(jié)構(gòu)概述01OSI參考模型從上到下分為應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，為網(wǎng)絡(luò)通信提供了通用框架。各層功能詳解02物理層負(fù)責(zé)比特流與信號(hào)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)鏈路層確保相鄰節(jié)點(diǎn)可靠傳輸；網(wǎng)絡(luò)層選擇合適路由；傳輸層提供端到端通信；會(huì)話層建立和維護(hù)會(huì)話；表示層進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；應(yīng)用層提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口。數(shù)據(jù)傳輸單元03物理層是比特流，數(shù)據(jù)鏈路層是幀，網(wǎng)絡(luò)層是數(shù)據(jù)包，傳輸層是數(shù)據(jù)段，會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層的數(shù)據(jù)單元通常統(tǒng)稱為報(bào)文或數(shù)據(jù)。1.3.2網(wǎng)絡(luò)參考模型：OSI參考模型

采用OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)從高層向底層逐層傳遞。在傳遞過程中，每一層都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的封裝，最終通過物理層轉(zhuǎn)換成光信號(hào)或電信號(hào)發(fā)送出去。當(dāng)計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)從底層向高層逐層傳遞，在傳遞過程中進(jìn)行相應(yīng)的解封裝。

右圖示意了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)和一根網(wǎng)線組成的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算機(jī)A向計(jì)算機(jī)B傳遞數(shù)據(jù)時(shí)的層次化處理過程。1.3.2網(wǎng)絡(luò)參考模型：TCP/IP參考模型TCP/IP參考模型分為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層，是廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)模型。OSI參考模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)周期長(zhǎng)、運(yùn)行效率低，是一個(gè)理論性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)清晰的概念模型，主要用于描述、討論和理解網(wǎng)絡(luò)功能。TCP/IP參考模型則是源于實(shí)踐、廣泛應(yīng)用的協(xié)議棧，其層次結(jié)構(gòu)（應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、網(wǎng)絡(luò)接口層）與OSI參考模型有對(duì)應(yīng)關(guān)系，但更注重實(shí)用性和靈活性。1.3.2網(wǎng)絡(luò)參考模型：TCP/IP參考模型

OSI參考模型為全世界計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)統(tǒng)一的框架，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)周期長(zhǎng)、運(yùn)行效率低。TCP/IP參考模型是基于Internet開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議集，能夠提供多樣化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，兼具靈活性和實(shí)用性，目前已成為廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)模型。

以下載一首大小為2000Byte的歌曲為例，以下載一首大小為2000Byte的歌曲為例：應(yīng)用層（如HTTP協(xié)議）處理用戶請(qǐng)求和數(shù)據(jù)，形成應(yīng)用層報(bào)文；傳輸層（如TCP協(xié)議）將報(bào)文分段，添加TCP頭部形成段；網(wǎng)絡(luò)層（如IP協(xié)議）添加IP頭部形成數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)鏈路層（如以太網(wǎng)協(xié)議）添加幀頭和幀尾形成幀（Frame）；物理層將幀轉(zhuǎn)化為比特流（Bits）進(jìn)行傳輸。集線器（Hub）是將多條以太網(wǎng)雙絞線或光纖連接在同一段物理介質(zhì)下的設(shè)備。定義集線器工作在OSI參考模型的物理層。工作層次可視為多端口的中繼器，僅對(duì)接收到的物理層信號(hào)（比特流）進(jìn)行放大、整形，然后廣播到所有其他端口。功能外觀展示1.3.3常見網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：集線器1.3.3常見網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：交換機(jī)功能交換機(jī)是用于電（光）信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，能根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址，智能地將幀轉(zhuǎn)發(fā)到特定的目的端口，而非廣播到所有端口，從而在連接設(shè)備間建立臨時(shí)的獨(dú)享通信通道。外觀展示工作層次與集線器對(duì)比交換機(jī)主要工作在OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層，通過學(xué)習(xí)和維護(hù)MAC地址表實(shí)現(xiàn)基于MAC地址的幀轉(zhuǎn)發(fā)。外形類似集線器，但它不是簡(jiǎn)單的信號(hào)復(fù)制與分發(fā)，能根據(jù)MAC地址表把數(shù)據(jù)幀發(fā)給指定端口，提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率，隔離了沖突域，減少了不必要的廣播流量。1.3.3常見網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：路由器路由器工作在OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層。路由器又稱網(wǎng)關(guān)設(shè)備，用于連接多個(gè)邏輯上分開的網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)在不同網(wǎng)絡(luò)之間傳輸數(shù)據(jù)，具有路由選擇和分組轉(zhuǎn)發(fā)的功能。作用工作層次外觀展示1.3.3常見網(wǎng)